3種觀賞草苗期對干旱脅迫的響應(yīng)及抗旱性評(píng)價(jià)

王競紅，陳 鵬，陳 艾，田靜瑤，MUHAMMAD Siddique，李彥雪

（東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

觀賞草(ornamental grass)是一類具有觀賞價(jià)值高、繁殖能力強(qiáng)、適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)管理簡單等特征的植物[1-3]。近年來，隨著建設(shè)節(jié)約型、可持續(xù)型園林的興起，觀賞草得到廣泛應(yīng)用。因此，對觀賞草的抗旱性能進(jìn)行研究，比較分析不同觀賞草對干旱脅迫的耐受能力，對探究觀賞草在北方干旱地區(qū)的園林景觀應(yīng)用具有重要的意義。

狼尾草(Peuuisetum alopecuroides)、藍(lán)羊茅(Festuca glauca‘Freddy’)、細(xì)莖針茅‘馬尾’(Stipa tenuissima‘Pony Tails’)均具有觀賞價(jià)值高、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等優(yōu)良特點(diǎn)，在園林綠化中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，關(guān)于這3種觀賞草的研究主要集中于種質(zhì)資源調(diào)查與繁殖特性[4-7]、鹽脅迫[8-10]、重金屬脅迫[11-12]、低溫脅迫[13-14]、園林應(yīng)用[15-18]等方面，對其抗旱性研究報(bào)道較少。已有的研究顯示，干旱脅迫對植物的株高、葉形等形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)[19-21]會(huì)產(chǎn)生顯著影響。為了明確觀賞草植株在苗期對干旱脅迫的響應(yīng)特性，本研究比較3種觀賞草在自然失水條件下，苗期的生長特性及生理指標(biāo)，旨在探究干旱脅迫對3種觀賞草苗期植株生長特性和生理特性的影響，進(jìn)而為3種觀賞草的苗期管護(hù)提供抗旱耐受性的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

3種觀賞草種子購買于廈門愛懇園藝有限公司，分別為狼尾草、藍(lán)羊茅‘Freddy’、細(xì)莖針茅‘馬尾’，分別屬于禾本科狼尾草屬、羊茅屬和針茅屬，其發(fā)芽率分別為80%、79%和89%。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年10月在東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院溫室內(nèi)進(jìn)行。采用盆栽法培養(yǎng)供試材料?；ㄅ枭峡趶?170 mm，底徑 123 mm，深 155 mm。播種所用的栽培基質(zhì)為黑土與蛭石，去除黑土中石子、植物枯枝等雜質(zhì)，將黑土與蛭石以3∶1的比列混合，混合均勻后在每個(gè)花盆中加入2 kg該基質(zhì)。播種前用0.5%的次氯酸鈉消毒20 min，蒸餾水沖洗3～5次，用濾紙吸干附著水。再用純凈水浸種12 h。將處理后的供試種子均勻撒播于花盆(出苗量 ≥ 1株·cm-2)，覆蓋一層薄薄的細(xì)沙。將花盆放入溫室中進(jìn)行培養(yǎng)，溫度為20～26 ℃，光照14 h，黑暗處理 10 h。

從播種之日算起，1-15 d內(nèi)每3 d澆一次水，保證種子萌發(fā)期和幼苗期充足的水分；16-30 d內(nèi)每5 d澆一次水。對生長30 d的盆栽苗采用自然失水脅迫的方法進(jìn)行干旱處理，脅迫開始后停止?jié)菜?。? d測定植株形態(tài)指標(biāo)，同時(shí)取樣一次，干旱處理全過程為30 d。每次采集的樣品用錫紙包裹，立即放進(jìn)液氮壺中迅速冷凍，保存于-80 ℃冰箱中[22]，用于各項(xiàng)生理生化指標(biāo)的測定，采取3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

株高：測定植株的絕對高度(cm)，即地面至植株頂端高度。

株高增長率：(后一次測定的株高-前一次測定的株高)/天數(shù)。

土壤含水量：取土壤樣品放入鋁盒中稱量濕重，放入恒溫烘干箱中烘干至質(zhì)量不再變化，稱量其干重，計(jì)算土壤含水量[23-24]。

采用乙醇浸提法測定葉綠素含量[20]；采用氮藍(lán)四唑法(NBT法)測定超氧化物歧化酶(SOD)活性[20]；采用考馬斯亮藍(lán)法測定可溶性蛋白含量[20]；采用茚三酮法測定游離脯氨酸(Pro)含量[20]；采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量[20]。

1.4 抗旱性綜合評(píng)價(jià)方法

采用隸屬函數(shù)法[25]對3種觀賞草苗期抗旱能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)值的計(jì)算公式如下：

式中：Xi表示第i個(gè)指標(biāo)值，Xmax表示所有品種第i個(gè)指標(biāo)的最大值，Xmin表示所有品種第i個(gè)指標(biāo)的最小值。如果所測指標(biāo)與植物的耐旱性呈正相關(guān)關(guān)系，用式(1)；如果所測指標(biāo)與植物的耐旱性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系則用式(2)。對每種觀賞草各指標(biāo)的抗旱隸屬值進(jìn)行累加，并計(jì)算出平均值，平均值越大，植物的抗旱性越強(qiáng)，平均值越小，抗旱性越差[26]。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

采用 Microsoft Excel 2007 進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和制圖，采用SPSS20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，多重比較檢驗(yàn)采用最小顯著差異法(LSD)分析處理間的差異顯著性，在5%水平上比較各處理間差異的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下3種觀賞草土壤含水量的變化

在干旱處理12 d后，狼尾草葉尖部位出現(xiàn)干枯現(xiàn)象，藍(lán)羊茅和細(xì)莖針茅‘馬尾’葉正常，無枯萎現(xiàn)象。干旱處理 24 d 后，‘Freddy’與‘馬尾’出現(xiàn)不同程度的萎蔫現(xiàn)象，‘Freddy’葉由藍(lán)綠色逐漸變?yōu)樗{(lán)白色，‘馬尾’葉尖部位枯萎(圖1)。隨著干旱脅迫時(shí)間的延長，土壤含水量持續(xù)呈下降趨勢，脅迫時(shí)間越長，影響越嚴(yán)重(圖2)。脅迫0-18 d，‘Freddy’與‘馬尾’的土壤含水量下降速率較大；脅迫18-24 d，二者的下降速率減??；脅迫24-30 d，二者的下降速率增大。脅迫0-12 d，狼尾草的土壤含水量下降速率較小；脅迫12 d后，土壤含水量下降速率隨著干旱脅迫時(shí)間的增加而逐漸增加。方差分析表明，脅迫6-18 d時(shí)，3種觀賞草的土壤含水量之間均存在顯著差異(P＜ 0.05)。

2.2 干旱脅迫對3種觀賞草幼苗株高增長率的影響

干旱脅迫會(huì)對植株增長產(chǎn)生影響，在整個(gè)干旱脅迫時(shí)期，‘Freddy’與‘馬尾’株高差異不顯著 (P＜0.05)，但狼尾草的株高顯著高于二者(P＜ 0.05)(圖3)。隨著干旱脅迫時(shí)間的延長和土壤含水量的降低，3種觀賞草幼苗的日均生長率呈下降趨勢，脅迫程度越重，日均生長率下降速度越快。干旱脅迫達(dá)到30 d時(shí)，對比前一個(gè)測試日，‘Freddy’株高增長量最小，為0.46 cm；‘馬尾’株高增加量最大，為0.80 cm；狼尾草株高增加了0.60 cm，介于二者之間。在整個(gè)干旱脅迫過程中，狼尾草的株高增長率變化較其他兩種明顯，‘馬尾’的株高增長率略高于‘Freddy’。

2.3 干旱脅迫對3種觀賞草葉綠素含量(Chl)的影響

隨著干旱脅迫時(shí)間的延長，3種觀賞草的葉綠素含量呈下降趨勢(圖4)。在同一干旱脅迫時(shí)期下，3種觀賞草的葉綠素含量之間存在顯著差異(P＜ 0.05)，表現(xiàn)為‘馬尾’ ＞ ‘Freddy’ ＞ 狼尾草。在整個(gè)干旱脅迫的過程中，3種觀賞草葉綠素含量變化值不同，其中狼尾草體內(nèi)葉綠素含量下降值最小，下降了 0.76 mg·g-1，‘馬尾’下降了 1.48 mg·g-1，‘Freddy’下降了 1.12 mg·g-1，說明狼尾草隨著干旱脅迫程度的加重，仍能保持較穩(wěn)定的葉綠素含量，植株的光合作用受到的影響較小。

圖1 3種觀賞草在干旱脅迫24 d時(shí)的表型特征Figure 1 Phenotypic characteristics of 3 species of ornamental grasses under drought stress on day 24

圖2 3種觀賞草在干旱脅迫各時(shí)期的土壤含水量變化Figure 2 Changes in soil water content of 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods 不同小寫字母表示同一脅迫時(shí)間不同觀賞草之間差異顯著(P ＜0.05)。下同。

圖3 3種觀賞草在干旱脅迫各時(shí)期株高變化Figure 3 Changes in plant height of 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

2.4 干旱脅迫對3種觀賞草超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

隨著干旱脅迫時(shí)間的延長，3種觀賞草SOD活性呈先升高后降低的趨勢(圖5)。整個(gè)脅迫期內(nèi)，狼尾草體內(nèi)SOD活性最低，與其他兩種觀賞草體內(nèi)SOD 活性之間存在顯著差異 (P＜ 0.05)；‘Freddy’與‘馬尾’之間僅在脅迫12、18和24 d時(shí)存在顯著差異(P＜ 0.05)。脅迫 18 d，三者體內(nèi) SOD 活性均達(dá)到最大，其中以‘馬尾’SOD 活性最大，為 220.30 U·g-1；狼尾草最小，為107.24 U·g-1；‘Freddy’為185.88 U·g-1，介于二者之間。綜上可知，‘Freddy’的SOD酶活性在整個(gè)干旱脅迫過程中相對較高，具有較強(qiáng)的清除自由基和抗氧化能力，抗旱性也較強(qiáng)。

圖4 3種觀賞草在干旱脅迫各時(shí)期的葉綠素(Chl)含量Figure 4 Chlorophyll content in 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

圖5 3種觀賞草在干旱脅迫各時(shí)期的超氧化物歧化酶(SOD)活性Figure 5 SOD activity in 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

2.5 干旱脅迫對3種觀賞草脯氨酸(Pro)含量的影響

3種觀賞草幼苗體內(nèi)的脯氨酸含量隨著干旱脅迫時(shí)間的增加而增加(圖6)。其中‘Freddy’的增幅最大，‘馬尾’的次之，狼尾草的最小。同一干旱脅迫時(shí)期，不同觀賞草體內(nèi)脯氨酸含量也不相同。在脅迫前期 (脅迫 0、6 d)和后期 (脅迫 24、30 d)時(shí)，狼尾草的脯氨酸含量較低，‘馬尾’次之，‘Freddy’最高，三者之間存在顯著差異(P＜ 0.05)。脅迫12 d時(shí)，狼尾草的脯氨酸含量最低，‘馬尾’最高，‘Freddy’介于二者之間，存在顯著差異 (P＜ 0.05)。脅迫 18 d，狼尾草脯氨酸含量最低，與其他兩種觀賞草的脯氨酸含量之間存在顯著差異 (P＜ 0.05)，‘Freddy’與‘馬尾’之間無顯著差異 (P＞ 0.05)。在整個(gè)干旱脅迫過程中，狼尾草的脯氨酸含量始終低于其他兩種，且增長率也最低，表明該品種的抗旱性較差。

圖6 3種觀賞草在干旱脅迫各時(shí)期的脯氨酸(Pro)含量Figure 6 Proline content in 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

2.6 干旱脅迫對3種觀賞草可溶性蛋白(SP)含量的影響

狼尾草可溶性蛋白含量呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，‘Freddy’和‘馬尾’則呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，二者的可溶性蛋白含量均在干旱脅迫12 d 時(shí)含量最低 (圖7)。在干旱脅迫 0、6 d 時(shí)，狼尾草體內(nèi)可溶性蛋白含量最低，與其他兩種觀賞草之間存在顯著差異 (P＜ 0.05)。脅迫 12、18 d 時(shí)，三者之間無顯著差異 (P＜ 0.05)。脅迫 24 d 時(shí)，‘馬尾’可溶性蛋白含量最高，且顯著高于其他兩種觀賞草 (P＜ 0.05)。脅迫 30 d，狼尾草的可溶性蛋白含量最小，‘馬尾’次之，‘Freddy’最大，且‘馬尾’和‘Freddy’顯著大于狼尾草 (P＜ 0.05)。

2.7 干旱脅迫對3種觀賞草丙二醛(MDA)含量的影響

圖7 3種觀賞草在干旱脅迫各時(shí)期的可溶性蛋白(SP)含量Figure 7 SP content in 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

干旱脅迫會(huì)破壞植物細(xì)胞內(nèi)氧自由基產(chǎn)生與清除的平衡，從而導(dǎo)致膜質(zhì)脫脂化或膜質(zhì)過氧化，最終形成MDA，使植物受到傷害，因此，MDA數(shù)值越大，表明植物所受干旱脅迫越嚴(yán)重，即MDA是負(fù)向指標(biāo)，應(yīng)采用反隸屬函數(shù)[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫時(shí)間的增加，3種觀賞草的丙二醛含量均增大(圖8)，其中狼尾草的MDA含量增加最多，增加了6.38 μmol·g-1；‘Freddy’次之，為 4.47 μmol·g-1；‘馬尾’增加最少，為 2.93 μmol·g-1。在整個(gè)干旱脅迫期內(nèi)，3種觀賞草的MDA含量變化也不盡相同。脅迫0 d時(shí)，狼尾草的MDA含量最高，‘Freddy’最低，二者之間存在顯著差異 (P＜ 0.05)；‘馬尾’中MDA含量介于狼尾草與‘Freddy’之間，且與二者之間無顯著差異 (P＞ 0.05)。干旱脅迫至 24 d 時(shí)，均表現(xiàn)為狼尾草的MDA含量最高，與其他兩種觀賞草之間存在顯著差異 (P＜ 0.05)。干旱脅迫至 30 d時(shí)，‘馬尾’的MDA含量最少，‘Freddy’次之，狼尾草最大，三者之間均存在顯著差異(P＜ 0.05)。

圖8 3種觀賞草在干旱脅迫各時(shí)期的丙二醛(MDA)含量Figure 8 MDA content in 3 species of ornamental grasses under drought stress in different periods

2.8 對3種觀賞草耐干旱脅迫的綜合性評(píng)價(jià)

觀賞草苗期抗旱性是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果，單項(xiàng)指標(biāo)不足以準(zhǔn)確、有效地評(píng)價(jià)植物的綜合抗旱能力。因此，本研究通過測定株高、葉綠素含量、超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、丙二醛含量共6個(gè)指標(biāo)，借助隸屬函數(shù)法對3種禾本科觀賞草幼苗期的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(表1)。結(jié)果得出，狼尾草、‘Freddy’、‘馬尾’隸屬函數(shù)平均值分別為0.31、0.45和0.53。3種觀賞草抗旱性強(qiáng)弱順序依次為‘馬尾’ ＞ ‘Freddy’ ＞ 狼尾草。

表1 3種觀賞草抗旱隸屬函數(shù)比較Table 1 Comparison of the drought membership function of 3 species of ornamental grasses

3 討論與結(jié)論

土壤水分對植物的生理活動(dòng)起著至關(guān)重要的作用，土壤含水量可以反映干旱脅迫的整個(gè)過程。本研究發(fā)現(xiàn)，不同種類觀賞草的土壤含水量變化不同，這表明不同觀賞草對土壤蓄水保水能力具有差異。植物對干旱脅迫最直接、最明顯的響應(yīng)是生長受到抑制。干旱脅迫使得植物生長所需的水分不足，影響其細(xì)胞的增長與繁殖，從而抑制植株的生長。本研究表明，3種觀賞草幼苗的株高變化量隨著干旱脅迫時(shí)間的延長而呈下降趨勢。

葉綠素含量的高低可以反映植物光合作用的情況。不同植物種類受干旱脅迫后，其葉綠素含量變化趨勢不同。李俊慶等[26]的研究表明，干旱脅迫下，花生(Arachis hypogaea)的葉綠素含量呈先上升后下降趨勢。而張金政等[27]的研究表明，植物的葉綠素含量會(huì)隨著干旱脅迫程度的加劇而降低，本研究結(jié)果與其相一致。干旱脅迫下，植物葉綠素含量變化的這種差異可能與其自身的生物學(xué)特性和干旱脅迫發(fā)生的強(qiáng)度、時(shí)期或持續(xù)時(shí)間有關(guān)。

在干旱脅迫過程中，植物的細(xì)胞膜脂過氧化是傷害的首要表現(xiàn)，而植物細(xì)胞膜脂過氧化反應(yīng)的主要產(chǎn)物之一是丙二醛，其含量的高低反映了生物細(xì)胞膜受傷害的程度。本研究表明，3種觀賞草的丙二醛含量均隨著干旱脅迫時(shí)間的延長而升高，表明植物葉片的膜系統(tǒng)受到一定程度的損傷，丙二醛含量越低，抗旱性越強(qiáng)。脅迫30 d時(shí)，狼尾草丙二醛含量最高，說明細(xì)胞膜損傷程度最大，抗旱性最弱；‘馬尾’最低，抗旱性最強(qiáng)。

在防御逆境對自身造成傷害時(shí)，植物本身會(huì)形成一些防御機(jī)制，如進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)、激活抗氧化酶系統(tǒng)等[28-29]。超氧化物歧化酶在植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)中是首個(gè)發(fā)揮作用的抗氧化酶，被稱之為抗氧化系統(tǒng)中的“第一道防線”[17]。本研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫時(shí)間的增加，3種觀賞草的超氧化物歧化酶活性均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。馬宗仁和劉榮堂[21]根據(jù)時(shí)間差理論，認(rèn)為植物存在一個(gè)耐受脅迫的極限，在一定干旱脅迫范圍內(nèi)，植物通過提高超氧化物歧化酶活性來抵御干旱環(huán)境；當(dāng)脅迫程度超出植物的耐受脅迫極限，超氧化物歧化酶活性下降，表明植物不能長時(shí)間依靠提高超氧化物歧化酶活性來抵御不良環(huán)境，即植物忍耐干旱脅迫的能力是有限的。超氧化物歧化酶活性變化越大，其抗旱能力越強(qiáng)。干旱脅迫過程中，‘馬尾’超氧化物歧化酶活性變化最大，狼尾草最小，‘Freddy’介于二者之間。

游離脯氨酸和可溶性蛋白是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[21, 30]。本研究發(fā)現(xiàn)，3種觀賞草的脯氨酸含量均表現(xiàn)為隨干旱脅迫時(shí)間的增加呈上升趨勢，這與代英超等[31]的研究結(jié)果一致。植物體內(nèi)脯氨酸含量與抗旱性正相關(guān)。本研究中‘Freddy’脯氨酸含量最高，抗旱性最強(qiáng)；狼尾草最低，抗旱性最弱。有研究表明，可溶性蛋白含量的積累有一定的限度，當(dāng)它達(dá)到某一閾值時(shí)，其含量不會(huì)繼續(xù)增加而是減少[9]。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下狼尾草可溶性蛋白含量呈先升后降的趨勢。藍(lán)羊茅和細(xì)莖針茅‘馬尾’隨著脅迫時(shí)間的延長呈先降后升的趨勢，這與段敏敏等[8]的研究結(jié)果一致。這可能與脅迫過程中可溶性蛋白的合成與分解有關(guān)。

綜上所述，3種觀賞草在生長特性及生理特性方面均對干旱脅迫表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)性變化，但不同植物對干旱脅迫的耐受表現(xiàn)不同。單項(xiàng)抗旱性指標(biāo)難以準(zhǔn)確、有效地反映植物的綜合、全面的抗旱能力。結(jié)合隸屬函數(shù)法對3種觀賞草在干旱脅迫下的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，3種觀賞草的抗旱性由強(qiáng)到弱依次表現(xiàn)為‘馬尾’ ＞‘Freddy’ ＞ 狼尾草，這與其生長、生理等指標(biāo)對干旱脅迫的響應(yīng)表現(xiàn)基本相符。